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Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 7880 (2023) Citare questo articolo

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Riportiamo la stabilità dipendente dallo strato di nanofogli di mica bidimensionale (2D) di tipo muscovite (KAl3Si3O10(OH)2). I calcoli dei principi primi su nanofogli di mica con diversi spessori di strato (n = 1, 2 e 3) rivelano la loro stabilità dipendente dallo strato; I nanofogli di mica 2D con numero dispari sono più stabili di quelli con numero pari e la stabilità preferibile degli strati con numero dispari deriva da effetti elettronici. Viene proposto un modello di schermatura del nucleo con un presupposto ragionevole, dimostrando con successo l'instabilità dei nanofogli di mica con numero pari. L'imaging Raman supporta il fatto che la popolazione di nanofogli di mica con numero dispari è predominante nei prodotti di mica esfoliata. Gli stati di carica alternati con strati pari/dispari sono stati evidenziati dalla microscopia a forza della sonda Kelvin. Dimostriamo anche una degradazione fotocatalitica unica, aprendo nuove porte per applicazioni ambientali di nanofogli di mica.

Il controllo dello strato atomico nei nanofogli bidimensionali (2D) sta ricevendo grande attenzione come nuova categoria della scienza dei materiali a causa delle speciali proprietà fisiche e chimiche dei nanofogli che suggeriscono potenziali applicazioni nei dispositivi elettronici di prossima generazione1,2,3,4 ,5,6,7,8,9,10,11. Spinti dalla scoperta del grafene1,6, molti ricercatori hanno esplorato le proprietà e le applicazioni dei nanofogli 2D, costituiti da materiali stratificati inorganici4,5,6,7,8. I materiali 2D hanno recentemente guadagnato molta considerazione grazie alle loro straordinarie proprietà11 e vengono utilizzati in diverse applicazioni come energia12, sensori di umidità13,14, ecc. Per caratterizzarli sono state utilizzate diverse tecniche di caratterizzazione come metodi ottici15, spettroscopia Raman16, studio AFM17 . Inoltre, le loro caratteristiche sono esplorate dalla teoria del funzionale della densità18,19.

In particolare, essendo simile al grafene, si prevede che la riduzione del numero di strati nei materiali inorganici porterà nuove proprietà e nuove applicazioni20. Ad esempio, Ryousuke Ishikawa et al21 hanno studiato l'effetto del numero di strati di grafene sulle prestazioni delle celle solari in perovskite/grafene, in cui riportano anche la funzione di lavoro del grafene dipendente dallo strato; 4,82 eV per monostrato, 4,94 eV per doppio strato e un picco a circa 4,97 eV per tre e superiori strati. È interessante studiare se tendenze simili sono mantenute nelle strutture inorganiche 2D.

La mica, grazie alle sue proprietà peculiari tra cui stabilità elettrica, meccanica e chimica, è stata utilizzata in una varietà di applicazioni come substrati isolanti, condensatori, pellicole di vernice e rivestimenti barriera. In particolare, poiché la mica è originariamente costituita da una struttura stratificata con forti legami nel piano e debole accoppiamento tra gli strati, viene efficacemente scissa in sottili nanofogli22,23,24,25,26, che presentano proprietà uniche e utili. Ad esempio, con le sue caratteristiche dielettriche con una banda proibita di 7,85 eV27,28,29, le proprietà capacitive della mica saranno estremamente elevate durante l'esfoliazione.

Anche se ci sono alcuni rapporti sulla vera esfoliazione dei nanofogli di mica, fino ai nanofogli a uno o pochi strati30,31, c'è ancora spazio per ulteriori studi su questo aspetto. Inoltre, non vi è stato alcun progresso significativo verso la scoperta di nuove proprietà e applicazioni di nanofogli di mica con uno spessore estremamente ridotto. In una recente pubblicazione24, abbiamo riportato un approccio semplice ma piuttosto inaspettato per il restringimento del bandgap regolabile in nanofogli di mica 2D di tipo muscovite (KAl3Si3O10(OH)2) attraverso uno spessore molecolare controllato. La riduzione del numero di strati ha comportato una riduzione dell'energia di banda proibita da 7 a 2,5 eV e il caso a doppio strato ha mostrato una natura semiconduttiva con un'energia di banda proibita di ~ 2,5 eV. Ciò è stato attribuito al rilassamento del reticolo e agli effetti di drogaggio superficiale. Questi nanofogli di mica 2D progettati con bandgap possono risolvere alcuni problemi chiave nello sviluppo di dispositivi elettronici/optoelettronici basati su nanosheet 2D che richiedono un bandgap stretto, una transizione da semiconduttore a metallo ed un'eccellente stabilità della struttura dipendente dallo strato.